انتخاب بهترین متریال برای ساخت قطعات به روش ماشین‌کاری CNC

ماشین کاری CNC فرآیندی سریع، کارآمد، دقیق و پرکاربرد است. طیف وسیعی از مواد سخت و نرم از جمله فلزات، پلاستیک‌ها، نیمه‌هادی‌ها و الاستومرها برای ماشین‌کاری CNC سازگار است. از ماشینکاری هم برای نمونه سازی و هم برای تولید محصولات نهایی استفاده می‌شود. اما موفقیت یک پروژه‌ی ماشینکاری و عملکرد قطعه‌ی تولید شده به طور قابل توجهی به ماده‌‌ای که در طول فرایند مورد استفاده قرار می‌گیرد بستگی دارد.
عوامل و الزامات متعددی در انتخاب یک ماده‌ی مناسب برای ساخت قطعه با ماشین کاری CNC نقش دارند. طیف وسیع مواد با ویژگی‌ها و قیمت‌های مختلف می‌تواند چالش برانگیز باشد. در این مقاله مهمترین فاکتورهایی که برای انتخاب مواد ماشین‌کاری CNC باید در نظر داشته باشید را معرفی کردیم و در نهایت با مقایسه‌ی انواع متریالی که دسترس شماست، خیالتان را از بابت این انتخاب سخت، تاحدی راحت می‌کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

عوامل موثر بر انتخاب مواد برای ماشین‌کاری CNC

اولین قدم در انتخاب مواد برای ماشین‌کاری CNC: نیازهای خود را اولویت بندی کنید
اولین قدم این است که نیازها و خواسته‌های خود را اولویت بندی کنید. نیازهای خود را از موارد ضروری تا کم اهمیت لیست کنید. این اقدام باعث می‌شود گزینه‌های شما محدود و انتخابتان ساده‌تر شود. برخی از عواملی که ممکن است در لیست اولویت‌های شما قرار گیرند شامل موارد زیر می‌شود:

• عوامل محیطی: در بسیاری از موارد، این عامل بالای لیست اولویت‌های شما قرار می‌گیرد. عوامل محیطی می‌تواند شامل مقاومت در برابر گرما و سرما، تاخیر در شعله‌ور شدن، یا مقاومت در برابر UV و مواد شیمیایی باشد. حتی ممکن است مواد شما نیاز به داشتن Food Grade یا Medical Grade داشته باشند. انواع کاربردهای قطعه را در نظر بگیرید. به عنوان مثال، قطعات یک دستگاه پزشکی ممکن است در معرض گرمای شدید اتوکلاو یا استریلیزاسیون شیمیایی شدید قرار بگیرند.
• عوامل الکتریکی: ممکن است نیاز به رسانا یا عایق الکتریکی داشته باشید. یا ممکن است نیاز به از بین بردن بارهای استاتیک داشته باشد. مواد خاصی مانند مس و نقره رسانای قوی و PTFE یک عایق عالی است. در نظر گرفتن رسانایی الکتریکی ماده انتخابی بسیار مهم است. فلزات عموما رسانای خوبی برای الکتریسیته هستند، در حالی که پلاستیک‌ها معمولاً عایق‌های خوبی‌اند.
• عوامل مکانیکی: گاهی لازم است قطعات شما کاملا صلب یا کاملا انعطاف پذیر باشند، و گاهی بین این دو حالت. ممکن است به استحکام کششی، مقاومت فشاری، یا مقاومت در برابر ضربه نیاز داشته باشند. ممکن است برای اینکه به عنوان یک یاتاقان عمل کند، به مقاومت در برابر سایش یا ایجاد روانکاری نیاز داشته باشند. برای برآورده کردن این الزامات مواد مشخصی وجود دارند و برخی از آنها موثرتر از بقیه هستند.

 

• پایداری ابعاد و تلرانس:‌ صنایعی مانند هوافضا به قطعاتی با ابعاد بسیار دقیق و پایداری ابعادی بالا نیاز دارند. چنین شرایطی نیازمند موادی با ضریب تغییر شکل کم است. مواد مختلف به نیروهایی که از طریق ابزار برش اعمال می‌شود، به طور یکسان پاسخ نمی‌دهند. با این وجود، ماده‌ی انتخابی باید تلرانس‌های مورد نیاز را محقق کند. هرچه قابلیت ماشینکاری ماده بیشتر باشد، دستیابی به تلرانس‌های کوچک‌تر آسان‌تر می‌شود.
• عوامل ظاهری: در بسیاری از موارد، ظاهر یک موضوع ثانویه است ولی گاهی می‌تواند ضروری باشد. برخی از مواد می‌توانند یک قسمت شفاف یا نیمه شفاف تولید کنند. برخی از پلاستیک‌ها را می‌توان در رنگ‌های مختلف عرضه کرد، در حالی که فلزات نیاز به فرآیندهای ثانویه‌ی رنگ آمیزی دارند. با توجه به کاربری مورد نظر، ممکن است به سطحی صیقلی یا خشن یا حتی دارای بافتی خاص نیاز داشته باشید.
• ابعاد: ماشین کاری CNC نسبت به برش لیزر محدودیت ضخامت کمتری دارد. در عوض، طول و عرض قطعه با توجه به میز کار دستگاه دارای محدودیت بیشتری است. در کل باید نسبت به محدودیت سایز دستگاه یا دستگاه‌هایی که در فرایند ساخت با آنها سروکار دارید اطلاع داشته باشید تا دچار مشکل نشوید.
• هزینه: هزینه همیشه یکی از عوامل تاثیرگذار در انتخاب مواد است. در ایران، علاوه بر ارزش ماده، تحریم بودن یا نبودن نیز در قیمت و حتی ریسک تامین آن اثرگذار است.
• ماشین کاری: اگر قطعه‌ای نیاز به تولید در مقادیر زیاد دارد، برای کاهش زمان و هزینه، بهتر است موادی با قابلیت ماشین کاری آسان انتخاب کنید. موادی مانند آلومینیوم و برنج بسیار بیشتر از فولاد ابزاری قابل ماشینکاری هستند. مواد با قابلیت ماشینکاری ضعیف فقط در صورتی باید انتخاب شوند که تیراژ تولید پایین باشد. این مواد برای ماشین کاری به انرژی و زمان بیشتری نیاز دارند.

مقایسه‌ی مواد برای ماشین کاری CNC

معمولا زمانی که به استحکام، سختی و مقاومت حرارتی بالا نیاز داریم به سراغ فلزات می‌رویم. پلاستیک‌ها مواد سبک وزن با طیف وسیعی از ویژگی‌های فیزیکی هستند که اغلب به دلیل مقاومت شیمیایی بالا و عایق الکتریکی بودن استفاده می شوند. در جداول زیر، ویژگی‌های مربوط به رایج‌ترین موادی که برای ماشینکاری CNC استفاده می‌شوند را معرفی کردیم. فلزات و پلاستیک‌ها را می‌توانید در دو جدول مجزا مشاهده کنید.
در این جداول، مقاومت کششی (استحکام تسلیم)، قابلیت ماشین کاری (سهولت ماشین‌کاری روی قیمت‌گذاری تأثیر دارد)، قیمت، سختی (عمدتاً برای فلزات) و مقاومت حرارتی (عمدتاً برای پلاستیک‌ها) برای هر ماده درج شده است.

فلزات

نوع فلز	گرید	*مقاومت کششی	**سختی	قابلیت ماشینکاری	قیمت	کاربردها
Aluminum	6061	متوسط	متوسط	★★★★★	$	مصارف عمومی، قطعات هواپیما، قطعات خودرو، فریم دوچرخه، ظروف غذا
	6082	متوسط	متوسط	★★★★★	$	مصارف عمومی، قطعات خودرو، ظروف غذا
	7075	زیاد	متوسط	★★★★	$$$	فطعات هواپیما، صنایع فضایی، قطعات خودرو، کاربردهای دریایی، تجهیزات ورزشی،
	5083	متوسط	کم	★★★★★	$$	کاربردهای دریایی، ساختمان سازی، مخازن تحت فشار
Stainless steel	304	متوسط	متوسط	★★	$$$	مصارف عمومی، تجهیزات پزشکی، صنایع غذایی، کاربردهای دریایی، فرآوری شیمیایی
	316	زیاد	متوسط	★★	$$$$	تجهیزات آماده‌سازی غذا، کاربردهای دریایی، معماری، ایمپلنت‌های جراحی، ظروف مواد شیمیایی
	2205 Duplex	زیاد	زیاد	★	$$$$$	نفت و گاز، کاربردهای دریایی، فرآوری شیمیایی، مبدل حرارتی،
	303	زیاد	زیاد	★★★	$$$$	قطعات هواپیما، قطعات ماشین آلات، پیچ و مهره، چرخدنده و بوش
	17-4	زیاد	بسیار زیاد	★★	$$$$$	پره‌های توربین، کاربردهای دریایی، ظروف مواد شیمیایی، نفت و گاز، کاربردهای هسته‌ای
Mild steel	1018	متوسط	متوسط	★★★	$$	مصارف عمومی، قطعات ماشین آلات، جیگ و فیکسچر
	1045	متوسط	زیاد	★★	$$$	مصارف عمومی، قطعات ماشین آلات
	A36	زیاد	متوسط	★★★	$$	ساختمان سازی، قطعات ماشین آلات، جیگ و فیکسچر
Alloy steel	4140	متوسط	زیاد	★★	$$$	مصارف عمومی، قطعات ماشین آلات، ابزار سازی
	4340	زیاد	زیاد	★★	$$$	ارابه فرود هواپیما، انتقال نیرو ابزارسازی
Tool steel	D2	زیاد	بسیار زیاد	★	$$$$	ابزار سردکاری، سنبه و ماتریس، ابزار برش و چاقو
	A2	زیاد	بسیار زیاد	★	$$$$	ابزار سردکاری، سنبه و ماتریس، ابزار برش و چاقو
	O1	زیاد	بسیار زیاد	★	$$$$	ابزار سردکاری، سنبه و ماتریس
Brass	C36000	متوسط	متوسط	★★★★★	$$	–

 

*: استحکام تسلیم: متوسط: 200-400 مگاپاسکال، بالا: 400-600 مگاپاسکال
**: سختی: متوسط: 50-90 HRB، زیاد: 90 HRB تا 50 HRC، بسیار زیاد: بالای 50 HRC

 

پلاستیک‌ها

 

نوع پلاستیک	مقاومت کششی*	دمای عملیاتی**	قابلیت ماشینکاری	قیمت	کاربردها
ABS	متوسط	تا دمای 60 درجه سانتیگراد	★★★	$$	خودروسازی، تابلو برق، لوله و اتصالات
Nylon	زیاد	تا دمای 100 درجه سانتیگراد	★	$$	قطعات خودرو، قطعات مکانیکی، بست‌‌ها
Polycarbonate (PC)	زیاد	تا دمای 120 درجه سانتیگراد	★★	$$	معماری، خودروسازی، تابلو برق، ظروف غذا،
POM (Delrin)	متوسط	تا دمای 82 درجه سانتیگراد	★★★★	$$	قطعات مکانیکی، تابلو برق، بوش و یراق آلات
PTFE (Teflon)	کم	تا دمای 260 درجه سانتیگراد	★★★★	$$	کاربردهای با دمای بالا، فرآوری شیمیایی، تابلو برق، فراوری مواد غذایی
HDPE	کم	تا دمای 80 درجه سانتیگراد	★	$$	ظروف مواد شیمیایی، لوله و اتصالات
PEEK	زیاد	تا دمای 260 درجه سانتیگراد	★★	$$$$	کاربردهای پزشکی، فرآوری شیمیایی، فراوری مواد غذایی، شیرهای فشارقوی

 

*: استحکام تسلیم:‌ کم: 5-30 مگاپاسکال، متوسط: 30-60 مگاپاسکال، زیاد: 60-100 مگاپاسکال
**: حداکثر دمای عملیاتی توصیه شده برای استفاده‌ی مداوم

 

مقایسه‌ی آلیاژ‌های فلزات با قابلیت ماشین کاری CNC

آلومینیوم (Aluminium)

آلیاژهای آلومینیوم نسبت مقاومت به وزن خوبی دارند، هدایت حرارتی و الکتریکی بالایی دارند و همچنین در برابر خوردگی به طور طبیعی مقاوم هستند. ماشین‌کاری آنها آسان است و اغلب یک گزینه‌ی مقرون به صرفه برای تولید نمونه‌های اولیه به شمار می‌روند.
آلیاژهای آلومینیوم معمولاً استحکام و سختی کمتری نسبت به فولادها دارند، اما می‌توان به کمک آنودایز کردن لایه‌ای سخت روی سطح آن ایجاد کرد. در ادامه چند آلیاژ پرکاربرد آلومینیوم را معرفی می‌کنیم.

آلیاژهای آلومینیوم

 

• آلومینیوم 6061 رایج ترین آلیاژ آلومینیوم است. این آلیاژ، نسبت استحکام به وزن و قابلیت ماشین کاری بالایی دارد.

• آلومینیوم 6082 دارای ترکیبات و ویژگی‌های مشابه با گرید 6061 است. این آلیاژ به دلیل اینکه منطبق با استانداردهای بریتانیاست بیشتر در اروپا استفاده می‌شود.

• آلومینیوم 7075 بیشتر در صنعت هوافضا که کاهش وزن بسیار مهم است کاربرد دارد. استحکام زیادی دارد به طوری که می‌توان آن را با بسیاری از فولادها مقایسه کرد. همچنین استحکام خستگی و قابلیت ماشین‌کاری خوبی دارد. اما یکی از معایب این آلیاژ آلومینیوم، مقاومت آن در برابر خوردگی است که نسبت به بسیاری از گریدهای دیگر این فلز کمتر است.

• آلومینیوم 5083 استحکام بالاتری نسبت به سایر آلیاژهای آلومینیوم و مقاومت بسیار خوبی در برابر آب دریا دارد. این ویژگی آن را برای کاربردهای ساختمان سازی و صنایع دریایی بهینه کرده‌است. همچنین یک انتخاب عالی برای جوشکاری به شمار می‌رود.

 

فولاد ضد زنگ (Stainless Steel)

آلیاژهای فولاد ضد زنگ دارای استحکام بالا و مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی هستند. آنها همچنین قابلیت جوشکاری، ماشینکاری و صیقل دادن دارند.

آلیاژهای فولاد ضد زنگ

• فولاد ضد زنگ 304 رایج ترین آلیاژ از این نوع فولاد است. دارای خواص مکانیکی عالی و قابلیت ماشین کاری خوبی است. همچنین در برابر خوردگی مقاوم است.
• فولاد ضد زنگ 316 یکی دیگر از آلیاژهای رایج فولاد با خواص مکانیکی مشابه گرید 304 است ولی مقاومت شیمیایی و خوردگی بالاتری به ویژه در برابر محلول‌های شور مثل آب دریا دارد، بنابراین برای محیط های نامساعد مناسب است.
• فولاد ضد زنگ 2205 داپلکس دارای بالاترین استحکام نسبت به گریدهای معمول استنلس استیل است و مقاومت بسیاری خوبی در برابر خوردگی دارد. از این آلیاژ در محیط های بسیار نامساعد مثل صنایع نفت و گاز استفاده می‌شود.
• فولاد ضد زنگ 303 دارای قابلیت ماشینکاری و چقرمگی بسیار عالی است ولی مقاومت کمی در برابر خوردگی دارد. یکی از کاربردهای این گرید، تولید پیچ و مهره برای صنعت هوافضا است.
• فولاد ضد زنگ PH 17-4 (گرید 630) دارای مقاومت شیمیایی بسیار خوبی است. به دلیل ویژگی‌های نزدیک به فولاد گرید 304، در بعضی از صنایع مثل صنایع شیمیایی، نفت و گاز و مواد غذایی که مقاومت در برابر خوردگی مورد نیاز است، می تواند جایگزین استیل 304 باشد.

 

فولاد کم کربن (Mild Steel)

 

فولادهای کم کربن دارای خواص مکانیکی، ماشین کاری و جوش پذیری بسیار خوبی هستند و قیمت نسبتا کمی دارند که باعث شده برای استفاده‌های عمومی مثل جیگ و فیکسچر از این نوع فولاد استفاده شود. در مقابل در برابر خوردگی و مواد شیمیایی مقاومت کمی دارند.

آلیاژ‌های فولاد کم کربن

 

• آلیاژ 1018 دارای قابلیت ماشینکاری، جوش پذیری، چقرمگی، استحکام و سختی بسیار خوبی است. همین ویژگی‌ها آن را تبدیل به پرکاربردترین آلیاژ فولاد کم کربن کرده است.
• آلیاژ 1045 یک فولاد کربن متوسط با جوش پذیری و ماشین کاری عالی و همچنین مقاومت بالا در برابر ضربه است.
• آلیاژ A36 یک فولاد رایج با قابلیت جوشکاری عالی است که برای انواع کاربردهای صنعتی و ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فولاد آلیاژی (Alloy Steel)

فولادهای آلیاژی، علاوه بر کربن حاوی عناصر دیگری هستند که منجر به بهبود خواصی نظیر سختی، چقرمگی، خستگی و مقاومت در برابر سایش می‌شوند. این دسته از فولادها، مانند فولادهای کم کربن در برابر خوردگی و مواد شیمیایی مقاومت کمی دارند.

 

آلیاژهای فولاد آلیاژی

 

• فولاد آلیاژی 4140 دارای خواص مکانیکی، استحکام و چقرمگی خوبی است. این آلیاژ برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب است اما برای جوشکاری توصیه نمی‌شود.
• فولاد آلیاژی 4340 یک ویژگی خاص دارد. برای ایجاد استحکام و سختی بسیار زیاد، بر روی این آلیاژ می‌توان عملیات حرارتی انجام داد، درحالیکه چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و استحکام خستگی خود را حفظ می‌کند. این آلیاژ قابل جوشکاری نیز هست.

 

فولاد ابزاری (Tool Steel)

فولادهای ابزاری آلیاژهایی با سختی، مقاومت به سایش و مقاومت حرارتی فوق العاده بالا هستند تا زمانی که تحت عملیات حرارتی قرار گیرند. این نوع فولاد همانطور که از نامش پیداست، برای ساخت ابزار و قالب مناسب است.

آلیاژ‌های فولاد ابزاری

 

• آلیاژ D2 یک آلیاژ مقاوم در برابر سایش است که سختی خود را تا دمای 425 درجه سانتیگراد حفظ می‌کند. از D2 معمولاً برای ساخت ابزارهای برش و قالب استفاده می‌شود.
• آلیاژ A2 یک آلیاژ سخت‌کاری شونده در هوا با چقرمگی خوب و پایداری ابعادی عالی در دمای بالا است. معمولاً برای ساخت قالب‌های تزریقی از این آلیاژ استفاده می‌شود.
• آلیاژ O1 یک آلیاژ سخت‌کاری شونده در روغن با سختی بالای 65 HRC است. معمولا برای ساخت چاقو و ابزار برش از این گرید استفاده می‌شود.

 

روند انتخاب صحیح مواد برای ماشین‌کاری CNC

برای روشن شدن مفهوم نیاز عملکردی یک پروژه، می‌توانیم مقایسه‌ای بین مواد انتخاب شده برای ماشین‌کاری CNC و یک کفش ورزشی داشته باشیم. هر ورزشی کفش مخصوص به خود را دارد؛ به همین دلیل است که نمی‌توان با کفش‌های فوتبال از کوه بالا رفت، در مهندسی مکانیک هم همین اتفاق می‌افتد. برای شناسایی موادی که برای ساخت قطعه‌ی خود نیاز داریم، مهم است که در مورد خواص فنی، شیمیایی و مکانیکی آن شناخت داشته باشیم.

هنگامی که نیازهای شیمیایی، فنی و مکانیکی پروژه خود را شناسایی کردیم، آماده هستیم تا مناسب‌ترین مواد را برای ساخت انتخاب کنم و از این میان، نسبت هزینه و اثربخشی را ملاک قرار می‌دهیم.

برای شناسایی نیاز‌ها بهتر است سوالات زیر پرسیده شود:

• قطعه به چه ویژگی هایی نیاز دارد؟
• آیا قطعه به موادی نیاز دارد تا دمای خاصی را تحمل کند؟
• آیا نیاز به مقاومت در برابر خوردگی دارد؟
• آیا وزن نهایی قطعه مهم است؟
• به چه نیازهای فنی (جوشکاری، سنگ و . . .) نیاز دارد؟
• به چه نیازهای مکانیکی (سختی، آبکاری و . . .) نیاز دارد؟
• آیا باید رسانای (الکتریسیته یا حرارت) باشد؟

داشتن پاسخ روشن برای هر یک از این سؤالات به ما این امکان را می‌دهد که بهترین مواد را با توجه به شاخص‌های زیر شناسایی کنیم:

• وزن و چگالی
• مقاومت در برابر خوردگی
• ویژگی‌های مکانیکی
• خواص فنی
• شکل زیبا و چشم‌نواز
• هزینه

 

قوانینی برای انتخاب دقیق مواد برای ماشین‌کاری CNC

در پایان، متوجه می‌شویم که بهترین ماده به صورت مطلق وجود ندارد؛ هر پروژه‌ای نیاز به انتخاب صحیح مواد با توجه به شناخت نیاز‌ها دارد.

کارشناسان فبری نکست برای انتخاب بهترین مواد برای ماشین‌کاری دستگاه CNC، قوانین زیر را توصیه می‌کنند:

• شناسایی نیازهای مکانیکی، شیمیایی و فنی مورد نیاز پروژه؛
• شناسایی موادی که ویژگی‌های مورد نیاز را برآورده می‌کنند؛
• ساخت نمونه اولیه کاربردی و انجام آزمایش لازم برای تایید فرضیه‌های طراحی برای بهبود و بهینه‌سازی طرح.

 

سخن پایانی

در انتخاب مواد برای ماشین کاری CNC نه تنها باید قابلیت ماشینکاری مواد را درنظر داشته باشد، بلکه باید به بسیاری از فاکتورها نظیر شرایط محیطی کاربری قطعه، ویژگی‌های مکانیک و الکتریکی، تلرانس، ویژگی‌های ظاهری و حتی قیمت نیز توجه داشته باشید. گاهی ممکن است بتوانید با هزینه‌ای بسیار کمتر، همه‌ی ویژگی‌های مورد نظرتان را در ماده‌ یا آلیاژی دیگر پیدا کنید. گاهی نیز به دلیل تحریم و در دسترس نبودن یک ماده ممکن است به مشکل بخورید. پس قبل از هر عملیات ماشینکاری و ساخت قطعه، انتخاب مواد را جدی بگیرید.
امیدواریم با مطالعه‌ی این مقاله به انتخاب متریال مورد نظر خود رسیده باشید. اگر هنوز نیاز به تحقیق بیشتر یا راهنمایی دارید و یا در انتخاب مواد شک دارید، نگران نباشید. انتخاب متریال یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی است. تیم کارشناسان فبری نکست به صورت رایگان شما را در انتخاب مواد صحیح راهنمایی خواهند کرد.